KR100565210B1

KR100565210B1 - 기체 분리 장치

Info

Publication number: KR100565210B1
Application number: KR1020040065542A
Authority: KR
Inventors: 이돈희; 조성문
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2006-03-30
Also published as: KR20060017039A

Abstract

본 발명은 기체 분리 장치에 관한 것으로, 질소흡착탑과 산소흡착탑을 가지는 기체흡착수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑의 내부를 감압시키는 감압수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되는 대기공급수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되어 분리기체를 산소응용제품과 질소응용제품에 선택적으로 공급하는 분리기체공급수단과; 상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급된 분리기체의 일부를 기체흡착수단에 복귀시키는 분리기체복귀수단과; 상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급되는 산소와 질소에 대기를 혼합하여 산소와 질소의 농도를 조절하는 분리기체농도조절수단 및; 상기 질소흡착탑에서 탈착되어 배출되는 질소와 산소흡착탑에서 탈착되어 배출되는 산소를 상기 질소응용제품과 산소응용제품에 공급하기 위한 탈착기체보조공급수단을; 포함하여 구성되어, 하나의 장치로서 산소와 질소를 발생시킬 수 있으며, 농축된 기체의 농도를 적절히 조절하여 용도에 따라 고순도 및 중, 저순도의 기체를 얻을 수 있고, 탈착된 분리기체를 산소응용제품과 질소응용제품에 효과적으로 활용할 수 있으며, 산소응용제품과 질소응용제품에 대한 산소와 질소의 공급을 연속적으로 공급할 수 있고, 구성 부품이 감소되고, 소형화되며, 원가를 절감할 수 있게 되는 것이다.

Description

기체 분리 장치{AIR SEPARATOR}

도 1은 종래 산소발생기의 계통도,

도 2는 종래 질소발생기의 계통도,

도 3은 종래 질소발생기를 냉장고에 적용한 예를 보인 단면도,

도 4는 본 발명에 의한 기체 분리 장치의 제 1실시례를 보인 계통도,

도 5는 본 발명에 의한 기체 분리 장치의 제 2실시례를 보인 계통도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110 : 질소흡착탑 120 : 산소흡착탑

200 : 진공펌프 310 : 대기흡입관

320 : 바이패스관 331,332 : 대기흡입분기관

341,342 : 대기흡입밸브 410 : 분리기체배출관

420 : 분리기체배출연결관 430 : 분리기체공급펌프

440 : 분리기체공급관 451,452 : 분리기체공급분기관

460 : 분리기체선택공급밸브 510 : 산소복귀관

520 : 질소복귀관 530 : 분리기체복귀관

540 : 분리기체복귀밸브 610 : 농도조절용 대기흡입관

620 : 농도조절용 밸브 710 : 탈착산소공급관

720 : 탈착질소공급관(720) 730 : 탈착기체공급밸브

800 : 2헤드 진공펌프 811,812 : 흡입관

821,822 : 토출관

본 발명은 기체 분리 장치에 관한 것으로, 특히 대기 중의 산소와 질소를 각각 분리하여 고농도의 농축 산소 및 질소를 동시에 생산할 수 있음과 아울러 각 기체의 농도를 조절하여 고농도 및 저농도용으로 사용할 수 있는 기체 분리 장치에 관한 것이다.

종래 가정용 또는 산업용으로 사용되는 기체 분리 장치는 대기 중에 포함된 주성분인 기체인 질소와 산소를 상호 분리해 내는 기능을 한다. 기체 분리 방법은 대기를 적절한 흡착제나 부화막(富化膜, membrane)을 통과시켜 산소 또는 질소를 분리해낸다. 이때 원하는 기체를 분리해내고 남은 불필요한 기체는 외부로 토출시킨다.

현재 사용되는 산소 발생기의 용도는 개인용, 가정용, 자동차용, 응급구조용, 산업용 등 다양하게 사용되며, 최근에 가정용 정수기의 음용수에 공급하여 식수내 용존산소량을 증가시키는 용도로 사용되고 있다.

한편, 질소 발생기의 경우 산업용 고순도 질소 발생용으로 사용되며, 식품 저장 시 장기 보관을 위한 저장 분위기 조절용으로 사용된다.

종래의 산소 발생기 또는 질소발생기의 원리는 거의 모두 대기를 끌어들여 특정 기체에 대해 선택성이 있는 흡착제나 부화막을 통과시킴으로써 특정 기체만을 분리하여 사용하고 그 밖의 기체는 외부로 배출시키게 된다.

대기의 주성분은 질소와 산소가 99%를 차지하므로 산소 발생기의 경우에는 산소가 걸러지고 난 고농도의 질소를, 질소 발생기의 경우에는 산소를 외부로 배출시킨다.

대기를 흡입하여 흡착제 또는 부화막으로 전달시키는 방법으로는 압력을 가하여 공기의 흐름을 발생시키는 압력스윙흡착(PSA; Pressure Swing Adsorption) 방식 또는 유로 내의 압력을 낮추어 대기압과의 압력차를 이용하여 대기의 흐름을 발생시키는 진공스윙흡착(VSA; Vacuum Swing Adsorption) 방식이 사용된다.

예로서 종래의 압력스윙흡착 방식의 산소 발생기의 동작을 설명하면 다음과 같다.

종래의 산소 발생기는 도 1에 도시한 바와 같이, 흡착제(Zn)가 충전된 흡착탑(10)과; 상기 흡착탑(10)의 하단에 연결되는 흡배기관(11)과; 상기 흡배기관(11)의 하단에 그 일단들이 공통으로 연결되는 흡입관(12)과 배기관(13)과; 상기 흡입관(12)과 배기관(13)의 타단들을 연결하는 흡배기연결관(14)과; 상기 흡배기연결관(14)의 도중에 설치되는 압력펌프(15)와; 상기 배기관(13)과 흡배기연결관(14)의 사이에 설치되는 제 1삼방밸브(16)와; 상기 흡입관(12)과 흡배기연결관(14)의 사이에 설치되는 제 2삼방밸브(17)와; 상기 흡착탑(10)의 상단에 연결되는 산소배출관 (18) 및; 상기 산소배출관(18)의 선단에 설치되는 산소배출구(19)로 구성된다.

상기 제 1삼방밸브(16)는 대기와 흡배기연결관(14)을 연결하는 대기흡입모드와 배기관(13)과 흡배기연결관(14)을 연결하는 질소배출모드로 절환되고, 제 2삼방밸브(17)는 흡배기연결관(14)과 흡입관(12)을 연결하는 대기흡입모드와 흡배기연결관(14)을 대기와 연결하는 질소배출모드로 절환되는 것이다.

이러한 종래의 산소 발생기의 운전은, 산소를 발생시키는 산소발생운전만을 수행하는 것이 아니고, 산소발생운전 과정에서 질소가 흡착된 흡착제(Zn)의 흡착효율을 감소시키지 않고 연속 사용할 수 있도록 하기 위하여 흡착제(Zn)에 흡착된 질소를 배출시키는 질소배출운전을 교대로 수행하게 된다.

산소발생운전 시에는, 제 1삼방밸브(16)와 제 2삼방밸브(17)를 대기흡입모드로 절환한 상태에서 압력펌프(15)를 가동시키면, 압력펌프(15)의 흡입력에 의하여 대기가, 도 1의 실선 화살표와 같이, 제 1삼방밸브(16), 흡배기연결관(14), 흡입관(12) 및 흡배기관(11)을 통해 흡착탑(10)으로 흡입되고, 흡착탑(10) 내에 충전된 흡착제(Zn)에 의하여 질소는 흡착되고, 산소만 통과하게 된다.

여기서 질소의 흡착율은 흡착제(Zn)의 종류나 장치의 크기, 펌프의 용량에 따라 결정되는 것이며, 실질적으로 흡착제(Zn)를 통과한 공기는 100% 산소만으로 이루어지지는 않는다. 이와 같이 흡착제(Zn)를 통과하여 일정 농도 이상으로 농축된 산소를 포함한 공기는 산소배출구(19)를 통하여 배출된다.

배출된 산소는 위에서 언급한 용도에 따라 사용하게 된다.

질소배출운전 시에는, 제 1삼방밸브(16)와 제 2삼방밸브(17)를 질소배출모드 로 절환한 상태에서 압력펌프(15)를 가동시키면, 압력펌프(15)의 흡입력에 의하여 흡착탑(10) 내에 흡착된 질소가, 도 1의 점선 화살표와 같이, 흡배기관(11), 배기관(13), 제 1삼방밸브(16), 흡배기연결관(14), 제 2삼방밸브(17)를 통하여 대기로 배출된다.

외부로 배출된 질소는 다시 대기 흡입시 역류해 들어오지 않도록 통상 관을 통하여 원격 배출시킨다.

종래의 질소 발생기는 도 2에 도시한 바와 같이, 흡착제(Zo)가 충전된 흡착탑(20)과; 대기의 흡입 및 산소의 배출을 위한 흡입력을 발생시키는 공기압축기(21)와; 상기 흡착탑(20)의 일단에 연결된 흡착탑측 흡배기관(22)과; 상기 공기압축기(21)에 연결된 흡입관(21a) 및 토출관(21b)과; 상기 토출관(21b)에 연결되는 흡입관(23)과; 상기 토출관(21b)과 흡입관(23) 사이에 연결되는 산소배출관(24)과; 흡배기구(25a)를 가지는 대기측 흡배기관(25)과; 상기 압축기 흡입관(21a), 흡착탑측 흡배기관(22), 대기흡입관(23), 산소배출관(24)과 대기측 흡배기관(25)이 연결되는 모드절환밸브(26)와; 상기 흡착탑(20)의 타단에 연결되는 질소배출관(27) 및; 상기 질소배출관(27)에 설치되는 질소배출밸브(28)로 구성된다. 도 2에서 29는 공기압축기(21)와 모드절환밸브(26)를 제어하는 콘트롤러이다.

상기 모드절환밸브(26)는, 압축기측 흡입관(21a)과 대기측 흡배기관(25)을 연결함과 아울러 흡입관(23)과 흡착탑측 흡배기관(22)을 연결하는 질소발생모드와, 압축기측 흡입관(21a)과 흡착탑측 흡배기관(22)을 연결함과 아울러 산소배출관(24)과 대기측 흡배기관(25)을 연결하는 산소배출모드로 절환되는 것이다.

상기 질소배출밸브(28)는 통상적인 개폐밸브와 체크밸브 등을 결합한 복합밸브가 사용된다. 체크밸브는 배출되는 질소나 대기가 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다.

이러한 종래의 질소 발생기의 운전은, 질소를 발생시키는 질소발생운전만을 수행하는 것이 아니고, 질소발생운전 과정에서 산소가 흡착된 흡착제(Zo)의 흡착효율을 감소시키지 않고 연속 사용할 수 있도록 하기 위하여 흡착제(Zo)에 흡착된 산소를 배출시키는 산소배출운전을 교대로 수행하게 된다.

질소발생운전 시에는, 상기 모드절환밸브(26)를 질소발생모드로 절환한 상태에서 공기압축기(21)를 가동시키면, 공기압축기(21)의 흡입력에 의하여 대기가, 도 2의 실선 화살표와 같이, 흡배기구(25a), 흡입구(25), 토출관(21b), 흡입관(23), 흡착탑측 흡배기관(22)을 통해 흡착탑(20)으로 흡입되고, 흡착탑(10) 내에 충전된 흡착제(Zo)에 의하여 산소는 흡착되고, 질소만 통과하게 된다.

여기서 산소의 흡착율은 흡착제(Zo)의 종류나 장치의 크기, 펌프의 용량에 따라 결정되는 것이며, 실질적으로 흡착제(Zo)를 통과한 공기는 100% 질소만으로 이루어지지는 않는다. 이와 같이 흡착제(Zo)를 통과하여 일정 농도 이상으로 농축된 질소를 포함한 공기는 질소배출관(27)과 질소배출밸브(28)를 통하여 배출된다.

배출된 산소는 위에서 언급한 용도에 따라 사용하게 된다.

산소배출운전 시에는, 상기 모드절환밸브(26)를 산소배출모드로 절환한 상태에서 공기압축기(21)를 가동시키면, 공기압축기(21)의 흡입력에 의하여 흡착탑(20)에 흡착된 산소가, 도 2의 점선 화살표와 같이, 흡착탑측 흡배기관(22), 압축기측 흡입관(21a), 토출관(21b), 대기측 흡배기관(25) 및 흡배기구(25a)를 통하여 대기로 배출된다.

외부로 배출된 산소는 다시 대기 흡입시 역류해 들어오지 않도록 통상 관을 통하여 원격 배출시킨다.

그러나 이러한 종래의 산소 발생기 또는 질소 발생기는 농축된 산소 또는 질소를 사용하고 흡착제에 흡착된 질소 또는 산소는 탈착하여 외부로 배출하는 시스템으로 각각 불필요한 기체를 외부로 배출시키거나 경우에 따라서는 장치로부터 멀리 이격시켜 처리해야 하는 번거로움이 있으며, 이는 원가상승 요인이 되기도 한다.

또한 종래의 기체 분리 장치를 가전 제품에 응용할 경우 하나의 장치에서 산소 또는 질소 중 한 가지만 이용할 수 있다.

도 3은 종래의 질소 발생기를 냉장고의 야채 보관용으로 사용한 예이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 가정용 냉장고의 기계실(33)에 상술한 공기압축기(21)를 설치하고, 냉장실(32)에 상기 대기측 흡배기구(25a)를 배치하고, 야채실(34)측에 상기 질소배출밸브(28)를 배치함으로써 야채실의 야채 신선도 유지 및 장기 저장용으로 사용된다. 도 3에서 31은 냉동실이다.

그러나 이러한 종래의 산소 발생기 및 질소 발생기는 상이한 두 종류의 농축기체(산소 및 질소)를 사용하기 위해서는 독립적인 두 개의 기체분리장치(산소 발생기 및 질소 발생기)를 사용하여야 하기 때문에 경제적 측면이나 설치 용이성 등에서 효과적이지 못하다는 문제점이 있다.

예를 들어 냉장고 내 야채를 장기 보관하기 위해서는 질소 발생기가 필요하고, 또한 냉장고 내의 산소음료 공급을 위해서는 산소 발생기가 독립적으로 필요하다. 이 경우 경제적 측면이나 설치 용이성 등에서 효과적이지 못하다.

따라서 본 발명의 목적은 하나의 장치로서 산소와 질소를 발생시킬 수 있는 기체 분리 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 농축된 기체의 농도를 적절히 조절하여 용도에 따라 고순도 및 중, 저순도의 기체를 얻을 수 있도록 한 기체 분리 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 탈착된 분리기체를 산소응용제품과 질소응용제품에 효과적으로 활용할 수 있도록 한 기체 분리 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 산소응용제품과 질소응용제품에 대한 산소와 질소의 공급을 연속적으로 공급할 수 있도록 한 기체 분리 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 구성 부품이 감소되고, 소형화되며, 원가를 절감할 수 있도록 한 기체 분리 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 질소흡착탑과 산소흡착탑을 가지는 기체흡착수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑의 내부를 감압시키는 감압수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되는 대기공급수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되어 분리기체를 산소응용제품과 질소응용제품 에 선택적으로 공급하는 분리기체공급수단과; 상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급된 분리기체의 일부를 기체흡착수단에 복귀시키는 분리기체복귀수단을; 포함하여 구성되는 기체 분리 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 질소흡착탑과 산소흡착탑을 가지는 기체흡착수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑의 내부를 감압시키는 감압수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되는 대기공급수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되어 분리기체를 산소응용제품과 질소응용제품에 선택적으로 공급하는 분리기체공급수단과; 상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급된 분리기체의 일부를 기체흡착수단에 복귀시키는 분리기체복귀수단 및; 상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급되는 산소와 질소에 대기를 혼합하여 산소와 질소의 농도를 조절하는 분리기체농도조절수단을; 포함하여 구성되는 기체 분리 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 질소흡착탑과 산소흡착탑을 가지는 기체흡착수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑의 내부를 감압시키는 감압수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되는 대기공급수단과; 상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되어 분리기체를 산소응용제품과 질소응용제품에 선택적으로 공급하는 분리기체공급수단과; 상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급된 분리기체의 일부를 기체흡착수단에 복귀시키는 분리기체복귀수단과; 상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급되는 산소와 질소에 대기를 혼합하여 산소와 질소의 농도를 조절하는 분리기체농도조절수단 및; 상기 질소흡착탑에서 탈착 되어 배출되는 질소와 산소흡착탑에서 탈착되어 배출되는 산소를 상기 질소응용제품과 산소응용제품에 공급하기 위한 탈착기체보조공급수단을; 포함하여 구성되는 기체 분리 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 상기 진공펌프와 분리기체공급펌프는, 2개의 흡입관과 2개의 토출관을 가지는 2헤드 진공펌프로 구성됨을 특징으로 하는 기체 분리 장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 기체 분리 장치를 첨부도면에 도시한 실시례에 따라서 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 의한 기체 분리 장치의 제 1실시례를 보인 계통도이다.

본 발명에 의한 농도 조절형 기체 분리 장치는 도 4에 도시한 바와 같이, 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120)을 가지는 기체흡착수단과;

상기 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120)의 내부를 감압시키는 감압수단과;

상기 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120)에 병렬로 연결되는 대기공급수단과;

상기 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120)에 병렬로 연결되어 분리기체를 산소응용제품(O)과 질소응용제품(N)에 선택적으로 공급하는 분리기체공급수단과;

상기 산소응용제품(O)과 질소응용제품(N)에 공급된 분리기체의 일부를 기체흡착수단에 복귀시키는 분리기체복귀수단을; 포함하여 구성된다.

상기 질소흡착탑(110)에는 질소흡착제가 충전되며, 상기 산소흡착탑(120)에는 산소흡착제가 충전된다.

상기 감압수단은 상기 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120)에 연결되어 이들 흡착탑(110)(120)내의 공기를 진공 흡입하는 진공펌프(200)로 구성된다. 상기 진공펌프(200)의 흡입단에는 흡입관(210)이, 토출단에는 토출관(220)이 연결된다.

상기 대기공급수단은, 상기 진공펌프(200)의 흡입관(210)에 연결되며 대기 중에 노출되는 대기흡입관(310)과, 상기 흡입관(210)과 대기흡입관(310)에 양단이 연결된 바이패스관(320)과, 상기 흡입관(210)과 대기흡입관(310)에 질소흡착탑(110)의 흡입단을 연결하는 산소발생용 대기흡입분기관(331)과, 상기 바이패스관(320)과 산소흡착탑(120)의 흡입단을 연결하는 질소발생용 대기흡입분기관(332)과, 상기 흡입관(210)과 대기흡입관(310)과 대기공급분기관(331)의 연결부와 바이패스관(320)과 질소발생용 대기흡입분기관(332)의 연결부에 각각 설치된 대기흡입밸브(341,342)로 구성된다.

상기 대기흡입관(310)에는 흡입되는 대기로부터 이물질 등을 제거하기 위한 흡입필터(311)가 구비된다.

상기 대기흡입밸브(341,342)는 삼방향밸브가 사용되어, 대기흡입밸브(341)는 산소발생용 대기흡입분기관(331)을 흡입관(210)에 연결하는 감압모드와 산소발생용 대기흡입분기관(331)을 대기흡입관(310)에 연결하는 대기흡입모드로 절환할 수 있는 삼방향밸브가 사용되며, 대기흡입밸브(342)는 질소발생용 대기흡입분기관(332)을 흡입관(210)에 연결하는 감압모드와 질소발생용 대기흡입분기관(332)을 대기흡입관(310)에 연결하는 대기흡입모드로 절환할 수 있는 삼방향밸브가 사용된다.

상기 분리기체공급수단은, 상기 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120)의 배출 단을 연결하는 분리기체배출관(410)과, 이 분리기체배출관(410)에 분리기체배출연결관(420)으로 연결되는 분리기체공급펌프(430)와, 상기 분리기체공급펌프(430)의 토출단에 연결되는 분리기체공급관(440)과, 상기 분리기체공급관(440)과 상기 산소응용제품(O)과 질소응용제품(N)의 공급단을 각각 연결하는 분리기체공급분기관(451,452)과, 상기 분리기체공급관(440)과 분리기체공급분기관(451,452)의 연결부위에 설치되는 분리기체선택공급밸브(460)로 구성된다.

상기 분리기체공급펌프(430)는 버블펌프를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 분리기체복귀수단은, 상기 산소응용제품(O)에 연결되는 산소복귀관(510)과, 상기 질소응용제품(N)에 연결되는 질소복귀관(520)과, 상기 산소복귀관(510)과 질소복귀관(520)을 상기 대기흡입관(310)에 연결하는 분리기체복귀관(530) 및, 상기 산소복귀관(510)과 질소복귀관(520) 및 분리기체복귀관(530)의 연결부위에 설치되는 분리기체복귀밸브(540)를 포함하여 구성된다.

또한 본 발명은 산소응용제품(O)과 질소응용제품(N)에 공급되는 산소와 질소에 대기를 혼합하여 산소와 질소의 농도를 조절하는 분리기체농도조절수단을 구비한다.

상기 분리기체농도조절수단은, 상기 분리기체배출연결관(420)의 도중에 연결되는 농도조절용 대기흡입관(610)과, 상기 농도조절용 대기흡입관(610)에 설치되는 농도조절용 밸브(620)로 구성된다. 상기 농도조절용 밸브(620)는 니들밸브를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 질소흡착탑(110)에서 탈착되어 배출되는 산소와 산소흡착탑 (120)에서 탈착되어 배출되는 질소를 산소응용제품(O)과 질소응용제품(N)에 공급하기 위한 탈착기체보조공급수단을 포함한다.

상기 탈착기체보조공급수단은, 상기 산소응용제품(O)과 질소응용제품(N)을 진공펌프(200)의 토출관(220)에 각각 연결하는 탈착산소공급관(710)과, 탈착질소공급관(720) 및, 상기 토출관(220)과 탈착질소공급관(710) 및 탈착질소공급관(720)의 연결부위에 설치되는 탈착기체공급밸브(730)를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명에 의한 기체 분리 장치의 작용을 설명한다.

<감압모드>

상기 대기흡입밸브(341,342)를 감압모드, 즉 산소발생용 대기흡입분기관(331)과 질소발생용 대기흡입분기관(332)이 진공펌프(200)의 흡입관(210)에 연결되는 상태로 절환한 상태에서 진공펌프(200)를 가동시키면, 진공펌프(200)의 흡입력에 의하여 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120) 내의 공기가 배출되면서 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120)의 내부가 감압된다.

<대기흡입모드>

질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120)을 감압시킨 상태에서 대기흡입밸브(341,342)를 대기흡입모드, 즉 산소발생용 대기흡입분기관(331)과 질소발생용 대기흡입분기관(332)이 대기흡입관(310)에 연결되는 상태로 절환하면, 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120)의 압력과 대기의 압력의 차이에 의하여 대기가 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120) 내로 흡입된다.

<기체분리모드>

질소흡착탑(110)에 공급된 대기는 질소흡착탑(110)에 충전된 질소흡착제에 흡착되고 산소만 통과하면서 농축되고, 산소흡착탑(120)에 공급된 대기는 산소흡착탑(120)에 충전된 산소흡착제에 흡착되고 질소만 통과하면서 농축된다.

<분리기체공급모드>

상기 분리기체선택공급밸브(460)를 산소공급모드로 절환하면, 질소흡착탑(110)에서 농축된 산소가 분리기체공급펌프(430)에 의하여 분리기체배출연결관(420)과 분리기체공급관(440) 및 분리기체공급분기관(451)을 통하여 산소응용제품(O)에 공급되며, 분리기체선택공급밸브(460)를 질소공급모드로 절환하면, 산소흡착탑(120)에서 농축된 질소가 분리기체공급펌프(430)에 의하여 분리기체배출연결관(420)과 분리기체공급관(440) 및 분리기체공급분기관(452)을 통하여 질소응용제품(N)에 공급된다.

본 발명에 의한 기체 분리 장치는 하나의 장치에서 산소공급모드와 질소공급모드를 선택적으로 또는 교호로 수행할 수 있으므로 산소응용제품(O)에 대한 산소공급과 질소응용제품(N)에 대한 질소공급을 수행할 수 있게 되는 것이다.

<분리기체농도조절모드>

상기 농도조절용 밸브(620)를 개방하여 농도조절용 대기흡입관(610)을 통하여 대기가 분리기체배출연결관(420)에 공급되도록 하면, 상술한 분리기체공급모드에서 공급되는 산소 또는 질소의 농도를 조절할 수 있게 된다.

<분리기체복귀모드>

상기 분리기체복귀밸브(540)를 산소복귀관(510)이 분리기체복귀관(530)에 연 결되는 상태로 절환하면, 산소응용제품(O)에 공급된 산소가 산소복귀관(510)과 분리기체복귀관(530)을 통하여 대기흡입관(310)측으로 복귀되며, 상술한 대기흡입모드에서 대기와 함께 질소흡착탑(110)으로 흡입되고, 분리기체복귀밸브(540)를 질소복귀관(520)이 분리기체복귀관(530)에 연결되는 상태로 절환하면, 질소응용제품(N)에 공급된 질소가 질소복귀관(510)과 분리기체복귀관(530)을 통하여 대기흡입관(310)측으로 복귀되며, 상술한 대기흡입모드에서 대기와 함께 산소흡착탑(120)으로 흡입된다.

이러한 분리기체복귀모드는 산소응용제품(O)과 질소응용제품(N)이 밀폐형 제품일 경우, 산소응용제품(O)과 질소응용제품(N)에 공급된 산소 또는 질소의 일부를 각 제품에서 소진시키고, 잉여 산소 또는 질소는 다시 질소흡착탑(110) 또는 산소흡착탑(120)으로 복귀시키게 되는 것이다.

또한 질소흡착탑(110)으로 복귀된 산소와 산소흡착탑(120)으로 복귀된 질소는 추후 새로 흡입된 대기의 기체분리모드에서 분리된 산소 또는 질소와 혼합되어 산소 또는 질소의 농도를 높이게 되며, 이러한 과정에 반복됨에 따라 고농도의 산소 또는 질소를 얻을 수 있게 된다.

<흡착기체탈착모드>

상기 대기흡입밸브(341)를 대기흡입분기관(331)이 진공펌프(200)의 흡입관(210)에 연결되는 상태로 절환하면, 질소흡착탑(110) 내에 흡착된 질소가 탈착되어 대기흡입분기관(331)을 통해 배출되며, 대기흡입밸브(342)를 대기흡입분기관(332)이 진공펌프(200)의 흡입관(210)에 연결되는 상태로 절환하면, 산소흡착탑(120) 내 에 흡착된 산소가 탈착되어 대기흡입분기관(332)을 통해 배출된다.

<탈착기체공급모드>

상기 탈착기체공급밸브(730)를 탈착산소공급관(710)이 진공펌프(200)의 토출관(220)에 연결되는 상태로 절환하면, 질소흡착탑(110)에서 탈착되어 진공펌프(200)에 흡입된 산소가 산소응용제품(O)에 보조적으로 공급되며, 상기 탈착기체공급밸브(730)를 탈착질소공급관(720)이 진공펌프(200)의 토출관(220)에 연결되는 상태로 절환하면, 산소흡착탑(120)에서 탈착되어 진공펌프(200)에 흡입된 질소가 질소응용제품(N)에 보조적으로 공급된다.

도 5는 본 발명에 의한 기체 분리 장치의 제 2실시례를 도시하는 것으로, 2개의 흡입관(811,812)과 2개의 토출관(821,822)을 가지는 2헤드 진공펌프(800)를 채용하여 상기 진공펌프(200)와 분리기체공급펌프(430)의 기능을 수행하도록 한 것이다.

즉, 제 1흡입관(811)은 상술한 제 1실시례에서와 마찬가지로 대기흡입관(310)과 대기흡입분기관(331,332) 및 바이패스관(320)에 연결되고, 제 1토출관(821)은 상술한 제 1실시례에서와 마찬가지로 탈착산소공급관(710)과 탈착질소공급관(720)에 탈착분리기체공급밸브(730)를 통해 연결되며, 제 2흡입관(812)은 분리기체배출관(410)에 연결되고, 제 2토출관(822)은 분리기체공급분기관(451,452)에 분리기체선택공급밸브(460)를 통해 연결되는 것이다.

본 실시례는 상술한 제 1실시례에서의 분리기쳬공급펌프(430)를 사용하지 않고, 각각 2개의 흡입관(811,812)과 2개의 토출관(821,822)을 가지는 하나의 2헤드 진공펌프(800)를 사용하는 것이며, 여타 구성은 상술한 제 1실시례에서와 동일하므로 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략한다.

또한 본 발명은 복수개의 흡착탑을 각 기체마다 같은 수로 설치하고 복수개의 2헤드 진공펌프를 구비함으로써 산소와 질소를 연속 생산할 수도 있는 것이다.

예를 들면, 2개씩의 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120) 및 2개의 2헤드 진공펌프(800)를 구비하여 각 2헤드 진공펌프(800)에 질소흡착탑(110)과 산소흡착탑(120)을 각각 하나씩 연결하여 2조의 장치를 구축하고, 제 1조의 장치에서 대기흡입모드가 진행될 때 제 2조의 장치에서 분리기체공급모드를 진행하는 식으로 교호로 운전함으로써 산소와 질소를 연속적으로 생산할 수 있게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 기체 분리 장치에 의하면, 질소흡착탑과 산소흡착탑을 구비하고 이들 흡착탑에 기체의 흡착과 분리기체의 공급 및 분리기체의 탈착을 위한 구성요소를 공유함으로써 하나의 장치로서 산소와 질소를 발생시켜 산소응용제품과 질소응용제품에 각각 필요한 기체, 즉 산소와 질소를 공급할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한 본 발명의 기체 분리 장치에 의하면, 산소응용제품과 질소응용제품에 공급된 분리기체인 산소 및 질소를 다시 대기흡입단수단을 통해 질소흡착탑과 산소흡착탑에 재공급함으로써 분리기체인 산소와 질소의 농도를 고농도로 농축할 수 있음과 아울러 농축된 분리기체인 산소와 질소에 대기를 혼합함으로써 분리기체인 산소와 질소의 농도를 원하는 농도로 조절할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 기체 분리 장치에 의하면, 질소흡착탑에 흡착된 질소와 산소흡착탑에 흡착된 질소를 탈착시킨 탈착기체인 탈착질소와 탈착산소를 대기로 방출하지 않고, 산소응용제품과 질소응용제품에 공급함으로써 탈착질소와 탈착산소를 효과적으로 활용할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한 본 발명의 기체 분리 장치에 의하면, 하나의 2헤드 진공펌프를 이용하여 분리기체인 산소와 질소를 산소응용제품과 질소응용제품에 공급하기 위한 공급펌프를 배제할 수 있으므로 장치를 간소하게 구성할 수 있으며, 원가를 절감할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한 본 발명의 기체 분리 장치에 의하면, 복수개의 질소흡착탑과 산소흡착탑을 구비하여 산소와 질소를 연속적으로 공급할 수 있으므로 산소응용제품과 질소응용제품에 대한 산소와 질소의 공급을 효과적으로 수행할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한 본 발명의 기체 분리 장치에 의하면, 2헤드 진공펌프를 사용하여 대기의 흡입과 분리기체의 공급 및 탈착분리기체의 공급을 수행할 수 있으므로 구성 부품이 감소되고, 소형화되며, 원가를 절감할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims

질소흡착탑과 산소흡착탑을 가지는 기체흡착수단과;

상기 질소흡착탑과 산소흡착탑의 내부를 감압시키는 감압수단과;

상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되는 대기공급수단과;

상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되어 분리기체를 산소응용제품과 질소응용제품에 선택적으로 공급하는 분리기체공급수단과;

상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급된 분리기체의 일부를 기체흡착수단에 복귀시키는 분리기체복귀수단을; 포함하여 구성되는 기체 분리 장치.
질소흡착탑과 산소흡착탑을 가지는 기체흡착수단과;

상기 질소흡착탑과 산소흡착탑의 내부를 감압시키는 감압수단과;

상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되는 대기공급수단과;

상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되어 분리기체를 산소응용제품과 질소응용제품에 선택적으로 공급하는 분리기체공급수단과;

상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급된 분리기체의 일부를 기체흡착수단에 복귀시키는 분리기체복귀수단 및;

상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급되는 산소와 질소에 대기를 혼합하여 산소와 질소의 농도를 조절하는 분리기체농도조절수단을;

포함하여 구성되는 기체 분리 장치.
질소흡착탑과 산소흡착탑을 가지는 기체흡착수단과;

상기 질소흡착탑과 산소흡착탑의 내부를 감압시키는 감압수단과;

상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되는 대기공급수단과;

상기 질소흡착탑과 산소흡착탑에 병렬로 연결되어 분리기체를 산소응용제품과 질소응용제품에 선택적으로 공급하는 분리기체공급수단과;

상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급된 분리기체의 일부를 기체흡착수단에 복귀시키는 분리기체복귀수단과;

상기 산소응용제품과 질소응용제품에 공급되는 산소와 질소에 대기를 혼합하여 산소와 질소의 농도를 조절하는 분리기체농도조절수단 및;

상기 질소흡착탑에서 탈착되어 배출되는 질소와 산소흡착탑에서 탈착되어 배출되는 산소를 상기 질소응용제품과 산소응용제품에 공급하기 위한 탈착기체보조공급수단을;

포함하여 구성되는 기체 분리 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감압수단은, 흡입관과 토출관을 구비하는 진공펌프를; 포함하여 구성되며,

상기 대기공급수단은, 상기 진공펌프의 흡입관에 연결되며 대기 중에 노출되는 대기흡입관과,

상기 흡입관과 대기흡입관에 양단이 연결된 바이패스관과, 상기 흡입관과 대 기흡입관에 상기 질소흡착탑의 흡입단을 연결하는 산소발생용 대기흡입분기관과, 상기 바이패스관과 산소흡착탑의 흡입단을 연결하는 질소발생용 대기흡입분기관과, 상기 흡입관과 대기흡입관과 대기공급분기관의 연결부와 바이패스관과 질소발생용 대기흡입분기관의 연결부에 각각 설치된 대기흡입밸브를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제 4항에 있어서,

상기 산소발생용 대기흡입밸브는 산소발생용 대기흡입분기관을 흡입관에 연결하는 감압모드와 산소발생용 대기흡입분기관을 대기흡입관에 연결하는 대기흡입모드로 절환할 수 있는 삼방향밸브이며,

상기 질소발생용 대기흡입밸브는 질소발생용 대기흡입분기관을 흡입관에 연결하는 감압모드와 질소발생용 대기흡입분기관을 대기흡입관에 연결하는 대기흡입모드로 절환할 수 있는 삼방향밸브인 것을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리기체공급수단은,

상기 질소흡착탑과 산소흡착탑의 배출단을 연결하는 분리기체배출관과, 이 분리기체배출관에 분리기체배출연결관으로 연결되는 분리기체공급펌프와, 상기 분리기체공급펌프의 토출단에 연결되는 분리기체공급관과, 상기 분리기체공급관과 상기 산소응용제품과 질소응용제품의 공급단을 각각 연결하는 분리기체공급분기관과, 상기 분리기체공급관과 분리기체공급분기관들의 연결부위에 설치되는 분리기체선택 공급밸브를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제 6항에 있어서, 상기 분리기체공급펌프는 버블펌프임을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리기체복귀수단은,

상기 산소응용제품에 연결되는 산소복귀관과, 상기 질소응용제품에 연결되는 질소복귀관과, 상기 산소복귀관과 질소복귀관을 상기 대기흡입관에 연결하는 분리기체복귀관 및, 상기 산소복귀관과 질소복귀관 및 분리기체복귀관의 연결부위에 설치되는 분리기체복귀밸브를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제 4항에 있어서, 상기 진공펌프는,

2개의 흡입관과 2개의 토출관을 가지는 2헤드 진공펌프로 구성됨을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제 6항에 있어서, 상기 분리기체공급펌프는,

2개의 흡입관과 2개의 토출관을 가지는 2헤드 진공펌프로 구성됨을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제 7항에 있어서, 상기 진공펌프의 제 1흡입관은 대기흡입관과 대기흡입분기 관들 및 바이패스관에 연결되고, 제 2흡입관은 분리기체배출관에 연결되며, 제 2토출관은 분리기체공급분기관들에 분리기체선택공급밸브를 통해 연결됨을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제 2항에 있어서, 상기 분리기체농도조절수단은,

상기 분리기체배출연결관의 도중에 연결되는 농도조절용 대기흡입관과, 상기 농도조절용 대기흡입관에 설치되는 농도조절용 밸브로 구성됨을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제 3항에 있어서, 상기 분리기체농도조절수단은,

상기 분리기체배출연결관의 도중에 연결되는 농도조절용 대기흡입관과, 상기 농도조절용 대기흡입관에 설치되는 농도조절용 밸브로 구성됨을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제 3항에 있어서, 상기 탈착기체보조공급수단은,

상기 산소응용제품과 질소응용제품을 상기 진공펌프의 토출관에 각각 연결하는 탈착산소공급관과, 탈착질소공급관 및, 상기 토출관과 탈착산소공급관 및 탈착질소공급관의 연결부위에 설치되는 탈착기체공급밸브를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제 13항에 있어서, 상기 진공펌프의 제 1흡입관은 대기흡입관과 대기흡입분기관들 및 바이패스관에 연결되고, 제 1토출관은 상기 탈착산소공급관과 탈착질소공급관에 탈착분리기체공급밸브를 통해 연결되며, 제 2흡입관은 분리기체배출관에 연결되고, 제 2토출관은 분리기체공급분기관들에 분리기체선택공급밸브를 통해 연결됨을 특징으로 하는 기체 분리 장치.